전원 필요없는 초정밀 인공피부센서 나온다

실리콘 방식 아닌 이온 신호 전달 원리로 작동, 한창수 교수팀 연구결과 발표

어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)에 논문 게재

▲ 공과대학 기계공학부 한창수 교수

공과대학 기계공학부 한창수 교수 연구팀이 인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사하여 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서를 개발했다.
* 인공피부센서(artificial skin sensor) : 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력, 진동, 터치 등을 측정하는 센서

이 연구는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 2월 9일에 게재됐다.
※ 논문명 : A Self-Powered Sensor Mimicking Slow- and Fast-Adapting Cutaneous Mechanoreceptors 
※ 주저자 : 한창수 교수(교신저자, 고려대), 전경용 교수(제1저자, 고려대)

최근 압력 및 터치 센서가 의료, 자동차, 항공, 가전, 환경 등 다양한 분야에 활용됨에 따라 고민감 센서에 대한 관심이 높아지고 있으나, 현재까지 개발된 센서는 낮은 감도, 높은 구동전력 등의 문제를 가지고 있어 개선이 필요했다.  한창수 교수팀이 개발한 피부센서는 외부 자극에 의해 이온이 이동하면서 신호가 전달되는 원리를 이용함으로서 별도의 에너지원 없이 구동될 수 있으며, 자극에 대한 빠른적응/느린적응의 두 가지 신호를 동시에 측정함으로써 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 점자의 구별 등 매우 정밀한 감지 능력을 보였다. 
 * 빠른적응(Fast adapting) : 자극이 시작된 시점과 끝나는 시점에서만 반응신호가 발생하는 특성
 * 느린적응(Slow adapting) : 자극이 시작돼서 끝나는 시점까지 연속적으로 반응신호가 발생하는 특성

한창수 교수는 “이 연구는 기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서”라며, “생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고, IoT와 연계하여 무전원 고감도의 센싱   모니터링 체계를 구축하여 다양한 산업분야에 적용될 것으로  기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인·집단연구) 및 글로벌프론티어지원사업의 지원으로 수행됐다.

[ 용 어 설 명 ]

1. Advanced Materials 誌
 ○ Advanced Materials는 과학 분야에서 최상위 학술지의 하나로서 1989년도부터 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전 세계 화학, 물리 분야 (Chemistry, Physical) 학술지 중 1.37%에 해당하는 영향지수 (Impact Factor 19.79)를 가지고 있다.

2. 이온채널 (Ion Channel)
 ○ 세포막에 있는 단백질로서 기공의 형태를 가지고 있으며, 이 채널을 통해 이온이나 물분자를 세포 내/외부로 이송하는 역할을 한다. 인체 감각기관도 자극을 받아들이는 부분과 이온채널이 결합된 구조로 되어 있으며, 이온채널에서 이온이 움직일 때 발생하는 신호를 신경을 통해 뇌가 인지하게 된다. 

3. 인공피부센서(artificial skin sensor)
 ○ 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력, 진동, 터치 등을 측정하는 센서이다.

4. 빠른적응(Fast adapting), 느린적응(Slow adapting)
 ○ 빠른적응은 자극이 시작된 시점과 끝나는 시점에서만 반응신호가 발생하는 특성, 느린적응은 자극이 시작돼서 끝나는 시점까지 연속적으로 반응신호가 발생하는 특성이다.

5. 수용기 (receptor)
 ○ 외부의 자극이 들어왔을 때, 자극에 반응하여 물리적, 화학적 방법으로 이온채널을 열리게 하거나 작동하게 하는 구조물을 말한다. 생체내에는 외부 자극에 대한 다양한 종류(화학적, 물리적, 기계적)의 수용기가 존재한다.
6. 전해질 (electrolyte)
 ○ 용액에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 할 수 있는 물질로서, 이 연구에서는 세가지 전해질을 사용함으로써 압력센서 특성의 다양성을 보여주었다.

7. 피부 압력센서 (skin pressure sensor)
 ○ 외부의 물리적인 접촉에 의해 전달되는 압력을 측정하는 센서로 Pa(Pascal)을 단위로 사용하고 있다. 이 연구에서는 미세한 압력범위 (<1 kPa)에서는 저전력으로, 일정한 압력 범위 (100~10,000 Pa) 에서는 무전원으로 압력을 센싱하였다.

[ 그 림 설 명 ]

그림 1. 생체 피부감각기관 시스템과 인공 피부센서 신호발생 개략도.
(A) 인체 피부 내의 네 가지 기계적 수용기와 이온채널을 통한 이들의 두 가지 수용기 신호(느린응답: Merkel disk, MD; Ruffini cylinder, RC; 빠른응답: Meissner corpuscle, MC; Pacinian corpuscle, PC)
(B) 인공 압력 피부센서의 단면도 및 구조도. 느린응답: 이온채널 내부에서 발생되는 신호, 빠른응답: 압전필름에서 발생되는 신호. 압력전가시 순간적으로 하나의 시스템으로 작동. 스케일바: 100 마이크로미터).

그림 2. 인공피부센서의 압력인지 특성
(A) 압력인가시 오실로스코프를 이용하여 측정한 각각의 압력변화 및 민감도 
(B) 압력 변화에 따른 전형적인 느린응답 곡선 변화도
(C) 압력 변화에 따른 전형적인 빠른응답 곡선 변화도
(D) 두가지 응답신호에 대한 기계적 Q팩터 및 진동응답으로부터 얻은 빠른응답의 bandwidth 변화도
(E) 혈압 신호 측정을 위해 손목에 장착한 인공피부압력센서
(F) 전형적인 맥파 신호 유형
(G) 휴식시 운동후의 빠른응답과 느린응답 신호의 변화곡선
(H) 느린응답에 해당되는 맥파신호의 분석도
(I) 빠른응답에 해당되는 심탄도 유형곡선
(J) 손목에서 발생되는 맥동신호로부터 얻은 요골동맥증가지수와 이완기확장지수
(K) 손목으로 부터의 측정되는 느린응답의 왕복시간 측정도
(L) 심탄도 수치에서의 IJK와 IJ 간격 비교도

그림 3. 인공피부센서의 표면질감 측정 및 물체인지 결과.
(A) 지문형 센서구조의 개략도
(B) 지문형 센서의 장치도 및 측정방법. 스케일바: 5밀리미터. 라인패턴 폭: 2밀리미터
(C) 유리 표면의 광학 및 전자현미경 사진
(D) 와트만지의 광학 및 전자현미경 사진
(E) 샌드페이퍼의 광학 및 전자현미경 사진
(F) 각 표면의 빠른응답과 느린응답의 동시 측정 신호
(G) 지문형 센서를 손가락 표면에 장착한 후 컵을 잡고 미끄러뜨리고 다시 잡을때의 사진
(H) 컵의 상태늘 인지시 각 순간마다 발생되는 빠른응답과 느린응답신호
(I) 느린응답신호의 주파수-전압 전환신호
(J) 빠른응답신호의 주파수-전압 전환신호

그림 4. 인공피부센서 작동 메커니즘과 시뮬레이션 결과.
(A) 센싱메커니즘 개략도. PVDF 필름에서의 전압발생 및 이온채널내부에서의 전압측정. 압전필름부, 이온채널부, 전극부로 나눌 수 있는 세 가지 회로연결도
(B) Comsol과 Spice로 시뮬레이션한 센싱결과
(C) 압력인가시 Comsol로 시뮬레이션한 이차원적 이온분포도
(D) Comsol로 시뮬레이션한 이차원적 전압변화 분포도. 압력인가 범위: 0.1～15 kPa.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)